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TiC体性质、表面性质以及Al/TiC界面性质的第一原理研究

作　者: 房立红
导　师: 王丽
学　校: 山东大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TiC 第一原理结构弛豫电荷分布稳定性
分类号: O614.411
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

作为一种过渡金属碳化物,TiC不仅具有独特的物理性质,例如高熔点,高硬度,良好的耐磨性,而且由于其所具有的导电性能和导热性能,使其在科研和科技领域受到人们的广泛关注。由于其具有良好的性能,TiC被广泛应用于颗粒增强复合材料,晶粒细化,微电子机械体系,聚变反应堆墙,生物材料等方面。有关TiC实验和理论方面的研究覆盖了材料科学、物理和化学等各个方面。本文利用基于密度泛函理论的第一原理计算方法模拟研究了TiC的体性质、表面性质以及Al/TiC界面性质,为揭示Al-Ti-C中间合金的细化机制提供理论依据。本文首先计算了TiC的体相性质。通过模拟其能带结构、态密度、偏态密度及电荷分布等参数来了解其电子结构和键合特性等方面的性质。通过分析发现,TiC中的化学键可以归类为具有金属、离子和共价特征的混合,其中Ti-C共价键占主要部分,还有一部分的离子键,其与更少量的金属键相结合。这也是TiC具有高熔点、高硬度和良好化学稳定性的原因。通过对TiC体相构型进行劈裂可得到TiC的表面构型。将TiC的(001)、(110)、(111)三个表面进行弛豫,分析其弛豫前后的晶体结构变化和电荷分布情况可知,经过结构弛豫后,TiC三个表面的晶体结构均变化很小且未发生表面重构现象；弛豫只影响了构型的顶部若干层,并未深入构型内部。随着由表面向内部推进,电荷的变化量也逐渐减小。在相邻层的Ti、C原子间均存在强烈的Ti-C共价键,经过弛豫之后,在真空层和原子层之间出现了电荷的消耗或者积累,Ti-C键得到了增强。由于TiC(111)表面为极性表面,因此又可分为Ti终止型和C终止型(111)表面。将四个表面的表面能进行对比发现,Ti终止(111)表面能最低,因此在热力学上是最稳定的表面。在界面计算部分,按照各表面的匹配关系构造了Al(001)/TiC(001)、Al(110)/TiC(110)以及Ti终止Al(111)/TiC(111)和C终止Al(111)/TiC(111)四种界面模型。将四个界面构型进行结构弛豫后分析其晶体结构变化、界面处的电荷分布和键合行为以及热力学稳定性等方面。弛豫后,四个界面的晶体结构变化也很小,没有表面重构现象；弛豫过程只影响了界面构型TiC侧的顶部三/四层,并未深入构型内部。Ti原子、C原子和Al原子沿垂直于界面方向均略有移动,表明界面处Ti和C原子分别与Al原子间形成了一定的化学键；通过对界面构型弛豫后电荷的再分布进行分析可知,界面处Ti原子与Al原子之间形成共价／金属混合键,C原子与Al原形成具有部分离子键性质的极性共价键,且通过电荷的转移量可知Al-C键强于Al-Ti键。C终止Al(111)/TiC(111)界面的界面结合能最大,界面原子间距最小,即界面原子结合最强,就能量而言,该界面是最稳定的；Ti终止Al(111)/TiC(111)界面的界面能最低,从热力学角度来看,该界面最稳定,因此稳定状态下的Al-Ti-C中间合金中的Al/TiC界面应该为Ti终止型Al(111)/TiC(111)界面。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-24
  1.1 TiC的性能及应用  12
  1.2 晶粒细化剂概述  12-13
  1.3 Al-Ti-C中间合金的制备  13-16
    1.3.1 高温熔炼法  14
    1.3.2 铝热反应法  14
    1.3.3 熔体反应法  14-15
    1.3.4 自蔓延高温合成法  15
    1.3.5 放热弥散法  15
    1.3.6 热爆法  15-16
  1.4 Al-Ti-C中间合金的细化机理  16-18
    1.4.1 包晶理论  16
    1.4.2 粒子理论  16-17
    1.4.3 TiC粒子团理论  17
    1.4.4 晶粒增殖理论  17
    1.4.5 "TiC界面富Ti过渡区"形核机制  17-18
  1.5 第一原理在界面研究领域的应用  18-19
  1.6 本文主要研究工作  19
  参考文献  19-24
第二章计算方法及原理  24-38
  2.1 引言  24
  2.2 第一原理的量子理论基础  24-35
    2.2.1 密度泛函理论  25-27
    2.2.2 Hohenberg-Kohn定理  27-29
    2.2.3 Kohn-Sham方程  29-32
    2.2.4 交换关联势泛函  32-34
    2.2.5 自洽计算  34
    2.2.6 赝势法  34-35
  2.3 第一原理计算实现途径  35-36
  2.4 第一原理计算过程及参数设定  36
  参考文献  36-38
第三章 TiC的体性质及其各表面性质  38-62
  3.1 引言  38
  3.2 TiC体性质计算  38-43
  3.3 TiC表面性质计算  43-59
    3.3.1 (001)表面性质计算  43-48
    3.3.2 (110)表面性质计算  48-52
    3.3.3 (111)表面烂质计算  52-59
  3.4 小结  59-60
  参考文献  60-62
第四章 Al/TiC界面性质  62-74
  4.1 引言  62
  4.2 Al/TiC界面模型构造  62-63
  4.3 Al/TiC界面结构及结合能  63-66
  4.4 Al/TiC界面电子结构及键合  66-69
  4.5 Al/TiC界面稳定性  69-71
  4.6 小结  71-72
  参考文献  72-74
第五章结论  74-76
致谢  76-78
附录  78-79
学位论文评阅及答辩情况表  79

TiC体性质、表面性质以及Al/TiC界面性质的第一原理研究

内容摘要

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